FR3123686A1 - Moteur à explosion rotatif et procédé de combustion associé - Google Patents

Moteur à explosion rotatif et procédé de combustion associé Download PDF

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Abstract

Moteur à explosion rotatif et procédé de combustion associé L’invention porte principalement sur un moteur à explosion rotatif (1), comprenant un dispositif de combustion alternée (11) comprenant des moyens d’injection et de combustion (19, 20) de carburant dans une chambre de combustion (14, 15) qui est reliée fluidiquement à une entrée de gaz comburants (12) en communication de fluide avec un compartiment d’admission (7) de gaz comburants, et à une sortie de gaz brûlés (13) en communication de fluide avec un compartiment d’échappement (8) des gaz brulés, par l’intermédiaire d’un dispositif de communication fluidique alternée (16, 17, 18) configuré pour mettre alternativement en communication de fluide la chambre de combustion (14, 15) avec l’entrée de gaz comburants (12) et la sortie de gaz brulés (13). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1

Description

Moteur à explosion rotatif et procédé de combustion associé
L'invention s’inscrit dans le domaine des moteurs à explosion.
L’invention concerne plus particulièrement un moteur à explosion deux temps de faible encombrement et un procédé de combustion mis en œuvre par ce moteur.
ART ANTERIEUR ET INCONVENIENTS DE L’ART ANTERIEUR
Les moteurs à injection directe ou indirecte avec des chambres de combustion à pistons sont bien connus, notamment les moteurs à essence à deux temps ou à quatre temps. Ces moteurs comprennent au moins une chambre de combustion cylindrique dans laquelle un piston est montée à translation entre une position dans laquelle le volume de la chambre est minimale et une position dans laquelle le volume de la chambre est maximal.
Dans un moteur à deux temps, suite à la combustion de carburant dans la chambre alors que le piston occupe la position de volume minimale, l’explosion provoque dans un premier temps le déplacement du piston vers sa position de volume maximal. Concomitamment, les gaz brûlés sont évacués tandis qu’un mélange de vapeurs de carburant et de gaz comburant provenant de l’extérieur du moteur pénètrent dans la chambre. Dans un second temps, le mouvement du vilebrequin provoque la remontée du piston vers sa position de volume minimal, provoquant la compression des gaz. Une bougie enflamme les gaz dès que le piston atteint sa position de volume minimal, et le cycle deux temps recommence.
Dans un moteur à quatre temps – qui améliore des problématiques d’évacuation incomplète des gaz brulés hors de la chambre de combustion observées dans les moteurs à deux temps – suite à la combustion de carburant dans la chambre alors que le piston occupe la position de volume minimale, l’explosion provoque dans un premier temps le déplacement du piston vers sa position de volume maximal. Dans un second temps, le mouvement du vilebrequin provoque la remontée du piston vers sa position de volume minimal et l’évacuation des gaz brûlés hors de la chambre de combustion. Dans un troisième temps, le mouvement du vilebrequin provoque la descente du piston vers sa position de volume maximale et l’entrée dans la chambre d’un mélange de vapeurs de carburant et de gaz comburant. Enfin dans un quatrième temps, le mouvement du vilebrequin provoque la remontée du piston vers sa position de volume minimal provoquant la compression des gaz. Une bougie enflamme les gaz dès que le piston atteint sa position de volume minimal, et le cycle quatre temps recommence.
Bien que performant, ce moteur à quatre temps nécessite un nombre important de pièces à usiner et à assembler, en particulier les différents éléments permettant la mise en œuvre des cycles à deux ou quatre temps. En outre, la combustion de carburant n’est pas optimisée, en particulier parce que la pression de combustion n’est pas identique d’un cycle à l’autre. Un tel moteur demeure donc une machine complexe et couteuse à usiner et assembler, encombrante, et difficile à régler.
OBJECTIF DE L’INVENTION
L’invention a pour objet de proposer un moteur à explosion moins encombrant, plus simple et moins couteux à mettre en œuvre et offrant une combustion de carburant optimisée.
À cet effet, l’invention vise un moteur à explosion rotatif qui comprend :
  • un bâti formant stator dans lequel est ménagée une cavité s’étendant selon un axe longitudinal et présentant au moins une première dimension transversale dite plus grande largeur L et une seconde dimension transversale dite plus petite largeur l ;
  • un rotor comportant un corps cylindrique s’étendant longitudinalement dans la cavité et monté mobile à rotation dans le bâti autour de l’axe longitudinal, lequel corps cylindrique présente un diamètre correspondant à la plus petite largeur de la cavité et définit deux zones d’affleurement opposées avec la surface de la cavité formant un goulet d’étranglement qui sépare la cavité en un compartiment d’admission de gaz comburants et un compartiment d’échappement de gaz brulés, chacun des compartiments d’admission et d’échappement étant délimité par ladite face externe du corps cylindrique et ladite surface de la cavité, et étant respectivement en communication fluidique avec une entrée d’admission de gaz comburants et une sortie d’échappement de gaz brûlés ménagées dans la paroi dudit bâti ;
  • ledit rotor comprenant au moins un organe d’entrainement des gaz contenus dans les compartiments monté dans une ouverture longitudinale ménagée dans le corps cylindrique du rotor et configuré pour être entrainé en rotation par ledit corps cylindrique autour de l’axe longitudinal ;
  • ledit moteur comprenant des moyens d’amenée de l’extrémité libre de l’organe d’entrainement à affleurement de la face interne de la cavité par coulissement dudit organe d’entrainement dans l’ouverture selon une direction perpendiculaire à l’axe longitudinale entre une position minimale dans laquelle son extrémité libre est à affleurement de la face interne de la cavité au niveau de sa plus petite largeur l, et une position maximale dans laquelle son extrémité libre est à affleurement de la face interne de la cavité au niveau de sa plus grande largeur L, et
  • un dispositif de combustion alternée comprenant des moyens d’injection et de combustion de carburant dans une chambre de combustion qui est reliée fluidiquement à une entrée de gaz comburants en communication de fluide avec le compartiment d’admission, et à une sortie de gaz brûlés en communication de fluide avec le compartiment d’échappement, par l’intermédiaire d’un dispositif de communication fluidique alternée configuré pour mettre alternativement en communication de fluide la chambre de combustion avec l’entrée de gaz comburants et la sortie de gaz brulés.
Le moteur peut également comporter les caractéristiques optionnelles suivantes considérées isolément ou selon toutes les combinaisons techniques possibles :
  • Le moteur comprend un premier et un second organes diamétralement opposés d’entrainement des gaz contenus dans les compartiments et deux chambres de combustion, en ce que le dispositif de communication alternée comprend un dispositif d’admission alternée configuré pour mettre alternativement en communication de fluide l’une des deux chambres de combustion avec l’entrée de gaz comburants, et un dispositif d’échappement alterné configuré pour mettre alternativement en communication de fluide l’une des deux chambres de combustion avec la sortie de gaz brûlés.
  • Les moyens d’amenée comprennent un rail périmétrique solidaire du bâti et ménagé dans la cavité, lequel rail est adapté pour guider le coulissement des organes d’entrainement dans les ouvertures considérées lors de leur rotation autour de l’axe longitudinal.
  • Le rail périmétrique comprend deux portions de rails reliées entre elles à pivotement par deux extrémités respectives desdites deux portions de rails, les extrémités opposées des deux portions de rails comprenant respectivement des organes de coulissement de formes complémentaires et coopérant entre eux pour assurer la continuité du rail périmétrique.
  • Chaque organe d’entrainement comprend un axe de guidage faisant saille d’une partie d’extrémité libre dudit organe d’entrainement, lequel axe est adapté pour coopérer avec une rainure ménagée dans le rail périmétrique.
  • Le moteur comprend une culasse dont la paroi délimite une partie de la cavité, laquelle culasse comprend une extrémité montée à pivotement sur le bâti autour d’un axe parallèle à l’axe longitudinal et est mobile entre une position minimisant le volume du compartiment d’admission et une position maximisant le volume dudit compartiment d’admission.
  • Le moteur comprend des moyens d’actionnement du pivotement de la culasse piloté par des moyens de contrôle et de commande du moteur.
  • Le dispositif de combustion alternée comprend des moyens de variation du volume de chaque chambre de combustion.
  • Les dispositifs d’admission et d’éjection respectivement ménagés en entrée et en sortie des chambres de combustion sont des clapets pilotés par les moyens de contrôle et de commande.
  • Chaque chambre de combustion comprend un clapet anti-retour ménagé en entrée de la chambre de combustion considérée.
  • Les compartiments d’admission et d’échappement présentent respectivement la forme de deux croissants disposés de part et d’autre du goulet d’étranglement.
L’invention vise également un procédé de combustion dans un moteur à explosion rotatif tel que décrit précédemment, le rotor étant en rotation autour de son axe longitudinal et chaque organe d’entrainement définissant dans le compartiment d’admission un sous-compartiment de compression relié fluidiquement à l’entrée de gaz comburants du dispositif de combustion alternée et un sous-compartiment d’admission relié fluidiquement à l’entrée d’admission de gaz comburants du bâti, et dans le compartiment d’échappement un sous-compartiment de détente relié fluidiquement à la sortie d’échappement de gaz brûlés du dispositif de combustion alternée et un sous-compartiment d’échappement relié fluidiquement à la sortie d’échappement, lequel procédé comprend les étapes successives de :
  • les entrées des première et seconde chambres de combustion étant respectivement ouverte et fermée, les sorties desdites première et seconde chambres étant respectivement fermée et ouverte, le premier organe d’entrainement en mouvement dans le compartiment d’admission et le second organe d’entrainement en mouvement dans le compartiment d’échappement entrainent concomitamment l’admission de gaz comburants dans le sous-compartiment d’admission, la compression de gaz comburants dans le sous-compartiment de compression et l’admission de gaz comprimé dans la première chambre de combustion, l’éjection de gaz brûlé de la seconde chambre d’admission dans le sous-compartiment de détente et l’échappement hors de la cavité des gaz brûlés contenus dans le sous-compartiment d’échappement ;
  • dès que les extrémités libres des deux organes d’entrainement ont passé le goulet d’étranglement, des moyens de contrôle et des commande du moteur pilotent concomitamment la fermeture de l’entrée de la première chambre et de la sortie de la seconde chambre, et l’ouverture de l’entrée de la seconde chambre et de la sortie de la première chambre ;
  • actionnement des moyens d’injection et de combustion de la première chambre pour injecter du carburant dans ladite chambre suivi d’une commande de combustion du mélange de carburant et de gaz comburants présent dans la première chambre ;
  • entrainement du premier organe d’entrainement dans le compartiment d’échappement et du second organe d’entrainement dans le compartiment d’admission induit par la pression générée par l’explosion dans la première chambre, provoquant concomitamment l’éjection de gaz brûlés de la première chambre d’admission dans le sous-compartiment de détente, l’échappement hors du bâti des gaz brûlés contenus dans le sous-compartiment d’échappement, l’admission de gaz comburants dans le sous-compartiment d’admission, la compression de gaz comburants dans le sous-compartiment de compression et l’admission de gaz comprimés dans la seconde chambre de combustion ;
  • dès que les extrémités libres des deux organes d’entrainement ont passé le goulet d’étranglement, les moyens de contrôle et des commande du moteur pilotent concomitamment la fermeture de l’entrée de la seconde chambre et de la sortie de la première chambre et l’ouverture de l’entrée de la première chambre et de la sortie de la seconde chambre ;
  • actionnement des moyens d’injection et de combustion de la seconde chambre pour injecter du carburant dans ladite chambre suivi d’une commande de combustion du mélange de carburant et de gaz comburants présent dans la seconde chambre, et
  • répétition des étapes précédentes tant que le moteur est actionné.
PRESENTATION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées :
la représente une vue en coupe transversale selon un premier plan du moteur de l’invention ;
la représente une vue en coupe transversale du moteur de l’invention selon un second plan II-II de la ;
la représente une vue en coupe longitudinale du moteur de l’invention selon le plan III-III de la ;
la représente une vue en coupe transversale du moteur de l’invention selon le plan IV-IV de la ;
la représente une vue en coupe longitudinale du moteur de l’invention selon le plan V-V de la ;
la représente une vue en coupe longitudinale suivant le plan VI-VI de la du dispositif de combustion alternée ;
les figures 7a à 7c représentent, à travers des vue en coupe transversale du moteur de l’invention selon le premier plan, une cinématique du fonctionnement du moteur.

Claims (12)

  1. Moteur à explosion rotatif (1), comprenant :
    • un bâti (2) formant stator dans lequel est ménagée une cavité (3) s’étendant selon un axe longitudinal (X) et présentant au moins une première dimension transversale dite plus grande largeur (L) et une seconde dimension transversale dite plus petite largeur (l),
    • un rotor (6) comportant un corps cylindrique (42) s’étendant longitudinalement dans la cavité (3) et monté mobile à rotation dans le bâti (2) autour de l’axe longitudinal (X), lequel corps cylindrique (42) présente un diamètre correspondant à la plus petite largeur (l) de la cavité et définit deux zones d’affleurement opposées (48a, 48b) avec la surface (44) de la cavité (3) formant un goulet d’étranglement (48) qui sépare la cavité (3) en un compartiment d’admission (7) de gaz comburants et un compartiment d’échappement (8) de gaz brulés, chacun des compartiments d’admission (7) et d’échappement (8) étant délimité par ladite face externe du corps cylindrique (42) et ladite surface (44) de la cavité (3), et étant respectivement en communication fluidique avec une entrée d’admission (4) de gaz comburants et une sortie d’échappement (5) de gaz brûlés ménagées dans la paroi dudit bâti (2),
    • ledit rotor (6) comprenant au moins un organe d’entrainement (9a, 9b) des gaz contenus dans les compartiments (7, 8) monté dans une ouverture longitudinale (10) ménagée dans le corps cylindrique (42) du rotor (6) et configuré pour être entrainé en rotation par ledit corps cylindrique (42) autour de l’axe longitudinal (X),
    • ledit moteur (1) comprenant des moyens d’amenée de l’extrémité libre (45a, 45b) de l’organe d’entrainement (9a, 9b) à affleurement de la face interne (44) de la cavité (3) par coulissement dudit organe d’entrainement (9a, 9b) dans l’ouverture (10) selon une direction perpendiculaire à l’axe longitudinale (X) entre une position minimale dans laquelle son extrémité libre (45a, 45b) est à affleurement de la face interne (44) de la cavité (3) au niveau de sa plus petite largeur (l), et une position maximale dans laquelle son extrémité libre (45a, 45b) est à affleurement de la face interne (44) de la cavité (3) au niveau de sa plus grande largeur (L), et
    • un dispositif de combustion alternée (11) comprenant des moyens d’injection et de combustion (19, 20) de carburant dans une chambre de combustion (14, 15) qui est reliée fluidiquement à une entrée de gaz comburants (12) en communication de fluide avec le compartiment d’admission (7), et à une sortie de gaz brûlés (13) en communication de fluide avec le compartiment d’échappement (8), par l’intermédiaire d’un dispositif de communication fluidique alternée (16, 17, 18) configuré pour mettre alternativement en communication de fluide la chambre de combustion (14, 15) avec l’entrée de gaz comburants (12) et la sortie de gaz brulés (13).
  2. Moteur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend un premier et un second organes diamétralement opposés d’entrainement (9a, 9b) des gaz contenus dans les compartiments (7, 8) et deux chambres de combustion (14, 15), en ce que le dispositif de communication alternée comprend un dispositif d’admission alternée (16) configuré pour mettre alternativement en communication de fluide l’une des deux chambres de combustion (14, 15) avec l’entrée de gaz comburants (12), et un dispositif d’échappement alterné (17, 18) configuré pour mettre alternativement en communication de fluide l’une des deux chambres de combustion (14, 15) avec la sortie de gaz brûlés (13).
  3. Moteur (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d’amenée comprennent un rail périmétrique (21) solidaire du bâti (2) et ménagé dans la cavité (3), lequel rail (21) est adapté pour guider le coulissement des organes d’entrainement (9a, 9b) dans les ouvertures considérées (10) lors de leur rotation autour de l’axe longitudinal (X).
  4. Moteur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le rail périmétrique (21) comprend deux portions de rails (27, 28) reliées entre elles à pivotement par deux extrémités respectives desdites deux portions de rails (27, 28), les extrémités opposées des deux portions de rails (27, 28) comprenant respectivement des organes de coulissement (29) de formes complémentaires et coopérant entre eux pour assurer la continuité du rail périmétrique (21).
  5. Moteur (1) selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que chaque organe d’entrainement (9a, 9b) comprend un axe de guidage (22) faisant saille d’une partie d’extrémité libre dudit organe d’entrainement (9a, 9b), lequel axe (22) est adapté pour coopérer avec une rainure (23) ménagée dans le rail périmétrique (21).
  6. Moteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une culasse (24) dont la paroi délimite une partie de la cavité (3), laquelle culasse (24) comprend une extrémité (25) montée à pivotement sur le bâti (2) autour d’un axe parallèle à l’axe longitudinal (X) et est mobile entre une position minimisant le volume du compartiment d’admission (7) et une position maximisant le volume dudit compartiment d’admission (7).
  7. Moteur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens d’actionnement (26) du pivotement de la culasse (24) piloté par des moyens de contrôle et de commande du moteur (1).
  8. Moteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de combustion alternée (11) comprend des moyens de variation (30, 31) du volume de chaque chambre de combustion (14, 15).
  9. Moteur (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que les dispositifs d’admission et d’éjection (16, 17, 18) respectivement ménagés en entrée et en sortie des chambres de combustion (14, 15) sont des clapets pilotés par les moyens de contrôle et de commande.
  10. Moteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque chambre de combustion (14, 15) comprend un clapet anti-retour (40, 41) ménagé en entrée de la chambre de combustion considérée (14, 15).
  11. Moteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les compartiments d’admission (7) et d’échappement (8) présentent respectivement la forme de deux croissants disposés de part et d’autre du goulet d’étranglement (48).
  12. Procédé de combustion dans un moteur à explosion rotatif (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 11, le rotor (6) étant en rotation autour de son axe longitudinal (X) et chaque organe d’entrainement (9a, 9b) définissant dans le compartiment d’admission (7) un sous-compartiment de compression (34) relié fluidiquement à l’entrée de gaz comburants (12) du dispositif de combustion alternée (11) et un sous-compartiment d’admission (35) relié fluidiquement à l’entrée d’admission (4) de gaz comburants du bâti (2), et dans le compartiment d’échappement (8) un sous-compartiment de détente (36) relié fluidiquement à la sortie d’échappement (5) de gaz brûlés du dispositif de combustion alternée (11) et un sous-compartiment d’échappement (37) relié fluidiquement à la sortie d’échappement (5), lequel procédé comprend les étapes successives de :
    • les entrées (32, 33) des première et seconde chambres de combustion (14, 15) étant respectivement ouverte et fermée, les sorties (38, 39) desdites première et seconde chambres (14, 15) étant respectivement fermée et ouverte, le premier organe d’entrainement (9a) en mouvement dans le compartiment d’admission (7) et le second organe d’entrainement (9b) en mouvement dans le compartiment d’échappement (8) entrainent concomitamment l’admission de gaz comburants dans le sous-compartiment d’admission (35), la compression de gaz comburants dans le sous-compartiment de compression (34) et l’admission de gaz comprimé dans la première chambre de combustion (14), l’éjection de gaz brûlé de la seconde chambre d’admission (15) dans le sous-compartiment de détente (36) et l’échappement hors de la cavité (3) des gaz brûlés contenus dans le sous-compartiment d’échappement (37) ;
    • dès que les extrémités libres (45a, 45b) des deux organes d’entrainement (9a, 9b) ont passé le goulet d’étranglement (48), des moyens de contrôle et des commande du moteur pilotent concomitamment la fermeture de l’entrée (32) de la première chambre (14) et de la sortie (39) de la seconde chambre (15), et l’ouverture de l’entrée (33) de la seconde chambre (15) et de la sortie (38) de la première chambre (14) ;
    • actionnement des moyens d’injection et de combustion (19) de la première chambre (14) pour injecter du carburant dans ladite chambre (14) suivi d’une commande de combustion du mélange de carburant et de gaz comburants présent dans la première chambre (14) ;
    • entrainement du premier organe d’entrainement (9a) dans le compartiment d’échappement (8) et du second organe d’entrainement (9b) dans le compartiment d’admission (7) induit par la pression générée par l’explosion dans la première chambre (14), provoquant concomitamment l’éjection de gaz brûlés de la première chambre d’admission (14) dans le sous-compartiment de détente (36), l’échappement hors du bâti (2) des gaz brûlés contenus dans le sous-compartiment d’échappement (37), l’admission de gaz comburants dans le sous-compartiment d’admission (35), la compression de gaz comburants dans le sous-compartiment de compression (34) et l’admission de gaz comprimés dans la seconde chambre de combustion (15) ;
    • dès que les extrémités libres (45a, 45b) des deux organes d’entrainement (9a, 9b) ont passé le goulet d’étranglement (48), les moyens de contrôle et des commande du moteur (1) pilotent concomitamment la fermeture de l’entrée (33) de la seconde chambre (15) et de la sortie (38) de la première chambre (14) et l’ouverture de l’entrée (32) de la première chambre (14) et de la sortie (39) de la seconde chambre (15),
    • actionnement des moyens d’injection et de combustion (20) de la seconde chambre (15) pour injecter du carburant dans ladite chambre (15) suivi d’une commande de combustion du mélange de carburant et de gaz comburants présent dans la seconde chambre (15), et
    • Répétition des étapes précédentes tant que le moteur (1) est actionné.
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